吸收塔的设计和选型

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1、烟气脱硫工艺主要设备吸收塔设计和选型4.1 吸收塔的设计吸收塔是脱硫装置的核心，是利用石灰石和亚硫酸钙来脱去烟气中二氧化硫 气体的主要设备，要保证较高的脱硫效率，必须对吸收塔系统进行详细的计算， 包括吸收塔的尺寸设计，塔内喷嘴的配置，吸收塔底部搅拌装置的形式的选择、 吸收塔材料的选择以及配套结构的选择(包括法兰、人孔等)。4.1.1 吸收塔的直径和喷淋塔高度设计本脱硫工艺选用的吸收塔为喷淋塔，喷淋塔的尺寸设计包括喷淋塔的高度设 计、喷淋塔的直径设计4.1.1.1 喷淋塔的高度设计 喷淋塔的高度由三大部分组成，即喷淋塔吸收区 高度、喷淋塔浆液池高度和喷淋塔除雾区高度。但是吸收区高度是最主要的，计

2、 算过程也最复杂，次部分高度设计需将许多的影响因素考虑在内。而计算喷淋塔 吸收区高度主要有两种方法：(1) 喷淋塔吸收区高度设计(一) 达到一定的吸收目标需要一定的塔高。通常烟气中的二氧化硫浓度比较低。 吸收区高度的理论计算式为h=HOXNTU(1)其中：H0为传质单元高度：H0=Gm/(kya) (ka为污染物气相摩尔差推动力的总0 m ya传质系数，a为塔内单位体积中有效的传质面积。NTU为传质单元数，近似数值为NTU=(y1-y2)/ ，即气相总的浓 度变化除于平均推动力ym= (y1-Ay2)/(y1/Ay2)(NTU是表征吸收困难程 度的量，NTU越大，则达到吸收目标所需要的塔高随之

3、增大。根据( 1 )可知：G y y h=HOXNTU= *厶k a AyymGy ym *+2k a (y y*)(y y*)y1122-y y* ln() y2 y2*22kya = kYa =9.81X10 -4 G 0.7W 0.25k a = dW 0.82 4(2)L其中：占2为脱硫塔内烟气进塔出塔气体中SO2组分的摩尔比，kmol(A)/kmol(B)y *, y*为与喷淋塔进塔和出塔液体平衡的气相浓度，kmol(A)/kmol(B)12kya为气相总体积吸收系数，kmol/(m3.h kpa)yax2，X为喷淋塔石灰石浆液进出塔时的SO2组分摩尔比，kmol(A)/kmol(B

4、) G 气相空塔质量流速，kg/(m2 h)W 液相空塔质量流速，kg/(m2 h)yX =mx, y2X=mx2 (m为相平衡常数，或称分配系数，无量纲)kYa为气体膜体积吸收系数，kg/(m2 h kPa)kLa为液体膜体积吸收系数，kg/(m2 h kmol/m3)式(2)中a为常数，其数值根据表24表3温度与a值的关系温度/1015202530a0.00930.01020.01160.01280.0143采用吸收有关知识来进行吸收区高度计算是比较传统的高度计算方法，虽然计 算步骤简单明了，但是由于石灰石浆液在有 喷淋塔自上而下的流动过程中由于 石灰石浓度的减少和亚硫酸钙浓度的不断增加，

5、石灰石浆液的吸收传质系数也在 不断变化，如果要算出具体的瞬间数值是不可能的，因此采用这种方法计算难以 得到比较精确的数值。以上是传统的计算喷淋塔吸收区高度的方法，此外还有另外一种方法可以计 算。( 2) 喷淋塔吸收区高度设计(二) 采用第二种方法计算，为了更加准确，减 少计算的误差，需要将实际的喷淋塔运行状态下的烟气流量考虑在内。而这部分 的计算需要用到液气比(L/G)、烟气速度u (m/s)和钙硫摩尔比(Ca/S)的值。本设计中的液气比 L/G 是指吸收剂石灰石液浆循环量与烟气流量之比值(L/M3)。如果增大液气比L/G,则推动力增大，传质单元数减少，气液传质面 积就增大，从而使得体积吸收系

6、数增大，可以降低塔高。在一定的吸收高度内液 气比 L/G 增大，则脱硫效率增大。但是，液气比 L/G 增大，石灰石浆液停留时 间减少，而且循环泵液循环量增大，塔内的气体流动阻力增大使得风机的功率增 大，运行成本增大。在实际的设计中应该尽量使液气比 L/G 减少到合适的数值 同时有保证了脱硫效率满足运行工况的要求。湿法脱硫工艺的液气比的选择是关键的因素，对于喷淋塔，液气比范围在8L/m3-25 L/m 3之间5 ，根据相关文献资料可知液气比选择2.2 L/m 3是最佳的数 值56。烟气速度是另外一个因素，烟气速度增大，气体液体两相截面湍流加强，气 体膜厚度减少，传质速率系数增大，烟气速度增大回减

7、缓液滴下降的速度，使得 体积有效传质面积增大，从而降低塔高。但是，烟气速度增大，烟气停留时间缩 短，要求增大塔高，使得其对塔高的降低作用削弱。因而选择合适的烟气速度是很重要的，典型的FGD脱硫装置的液气比在脱硫 率固定的前提下，逆流式吸收塔的烟气速度一般在2.5-5m/s范围内，本设计 方案选择烟气速度为 3.5m/s。湿法脱硫反应是在气体、液体、固体三相中进行的，反应条件比较理想，在脱 硫效率为90%以上时(本设计反案尾5%)，钙硫比(Ca/S)般略微大于1,最佳 状态为1.01-1.02，而比较理想的钙硫比(Ca/S)为1.02-1.05，因此本设计方案选择 的钙硫比(Ca/S)为1.02

8、。(3)喷淋塔吸收区高度的计算 含有二氧化硫的烟气通过喷淋塔将此过程中塔内总的二氧化硫吸收量平均到 吸收区高度内的塔内容积中，即为吸收塔的平均容积负荷一一平均容积吸收率， 以:表示。首先给出定义，喷淋塔内总的二氧化硫吸收量除于吸收容积，得到单位时间 单位体积内的二氧化硫吸收量(3)其中 C 为标准状态下进口烟气的质量浓度， kg/m3“为给定的二氧化硫吸收率,;本设计方案为95%h 为吸收塔内吸收区高度， mK0为常数，其数值取决于烟气流速u(m/s)和操作温度(C);K=3600uX273/(273+t)由于传质方程可得喷淋塔内单位横截面面积上吸收二氧化硫的量8为G (y -y ) = k

9、a XhX Ay(4)1 2 y m其中:G为载气流量(二氧化硫浓度比较低，可以近似看作烟气流量)，kmol/( m2.s)Y1,y2 分别为、进塔出塔气体中二氧化硫的摩尔分数(标准状态下的体积分数) ky单位体积内二氧化硫以气相摩尔差为推动力的总传质系数，kg/(m3 s) a 为单位体积内的有效传质面积， m2/m3.Ay”为平均推动力，即塔底推动力，丫石(y1-y2)/ln(y1/y2)(5)所以 :=G(y1-y2)/h吸收效率:=1-y/y2，按照排放标准，要求脱硫效率至少95%。二氧化硫质量浓 度应该低于580mg/m3 (标状态)又因为 G=22.4X(273+t) /273=u

10、(流速)将式子（5）:的单位换算成kg/（m2.s），可以写成：=3600X 22.4*27377U*叩 /h(7)在喷淋塔操作温度咛0 = 75。C下、烟气流速为u=35m/s、脱硫效率“ =095前面已经求得原来烟气二氧化硫 SO 质量浓度为 a （mg/ m3 ）且 a=1.18X210 4 mg/m3而原来烟气的流量（145。C时）为20X104（m3/h）换算成标准状态时（设为Va ）已经求得 V =1.31X105 m3/h=36.30 m3/sa=36.30X1.18X104mg/m3=42.83X104mg =428.3g故在标准状态下、单位时间内每立方米烟气中含有二氧化硫质量

11、为V SO2=428.3g x22.4 L/mol =149.91L/s=0.14991 m3/s0.15 m3/s 64g / molmSO2则根据理想气体状态方程，在标准状况下，体积分数和摩尔分数比值相等0.15yi = 36.30x 100% =0.41%又 烟气流速 u=3.5m/s,片=0.41%,耳二 0.95,t 二 75C总结已经有的经验，容积吸收率范围在5.5-6.5 Kg/ （m3 . s）之间，取匸=6 kg/ （m3 s）代入（ 7）式可得6= （ 3600 x x x 3.5 x 0.041 x 0.95 ） /h22.4 273 + 75 故吸收区高度h=18.33

12、18.3m（4）喷淋塔除雾区高度（h3）设计（含除雾器的计算和选型） 吸收塔均应装备除雾器，在正常运行状态下除雾器出口烟气中的雾滴浓度应 该不大于 75mg/m3 9 。除雾器一般设置在吸收塔顶部（低流速烟气垂直布置）或出口烟道（高流速烟气水平布置）,通常为二级除雾器。除雾器设置冲洗水，间歇冲洗冲洗除雾器。 湿法烟气脱硫采用的主要是折流板除雾器，其次是旋流板除雾器。 除雾器的选型折流板除雾器 折流板除雾器是利用液滴与某种固体表面相撞击而将液滴凝 聚并捕集的，气体通过曲折的挡板，流线多次偏转，液滴则由于惯性而撞击在挡 板被捕集下来。通常，折流板除雾器中两板之间的距离为20-30mm，对于垂直 安

13、置，气体平均流速为2 3m/s；对于水平放置，气体流速一般为6 10m/s。气 体流速过高会引起二次夹带。旋流板除雾器 气流在穿过除雾器板片间隙时变成旋转气流，其中的液滴在 惯性作用下以一定的仰角射出作螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，达 到除雾的目的，除雾率可达9099。喷淋塔除雾区分成两段，每层喷淋塔除雾器上下各设有冲洗喷嘴。最下层冲 洗喷嘴距最上层喷淋层（3-3.5） m,距离最上层冲洗喷嘴（3.4-32） m。 除雾器的主要设计指标a. 冲洗覆盖率：冲洗覆盖率是指冲洗水对除雾器断面的覆盖程度。冲洗覆盖 率一般可以选在100 %300 %之间。n 兀 h 2 tg 2a冲洗覆盖率=

14、a*100%式中 n为喷嘴数量，20个；a为喷射扩散角，90A 为除雾器有效通流面积 ,15 m2h为冲洗喷嘴距除雾器表面的垂直距离,0.05mn 兀 h 2 tg 2a所以 冲洗覆盖率= A*100%= 2071X0.052 X12 X 100%=203%A15b. 除雾器冲洗周期：冲洗周期是指除雾器每次冲洗的时间间隔。由于除雾器 冲洗期间会导致烟气带水量加大。所以冲洗不宜过于频繁,但也不能间隔太长,否 则易产生结垢现象,除雾器的冲洗周期主要根据烟气特征及吸收剂确定。c. 除雾效率。指除雾器在单位时间内捕集到的液滴质量与进入除雾器液滴质 量的比值。影响除雾效率的因素很多,主要包括:烟气流速、

15、通过除雾器断面气流 分布的均匀性、叶片结构、叶片之间的距离及除雾器布置形式等。d. 系统压力降。指烟气通过除雾器通道时所产生的压力损失，系统压力降越 大 ,能耗就越高。除雾系统压降的大小主要与烟气流速、叶片结构、叶片间距及 烟气带水负荷等因素有关。当除雾器叶片上结垢严重时系统压力降会明显提高 , 所以通过监测压力降的变化有助把握系统的状行状态 ,及时发现问题 ,并进行处 理。e. 烟气流速。通过除雾器断面的烟气流速过高或过低都不利于除雾器的正常 运行 ,烟气流速过高易造成烟气二次带水 ,从而降低除雾效率,同时流速高系统阻 力大,能耗高。通过除雾器断面的流速过低,不利于气液分离,同样不利于提高除雾 效率。设计烟气流速应接近于临界流速。根据不同除雾器叶片结构及布置形式 , 设计流速一般选定在3.55.5m/ s之间。本方案的烟气设计流速为6.9m/s。f. 除雾器叶片间距。除雾器叶片间距的选取对保证除雾效率，维持除雾系统稳 定运行至关重要。